中汽中心首席科學家王芳：固態電池當前面臨的挑戰及應對策略
4月27日下午，在第五屆新能源汽車及動力電池(CIBF2024重慶)國際交流會上，大會主席/中汽中心首席科學家王芳，作題為“測評視角下的固態電池：探索與挑戰”的主旨發言。
圖為大會主席/中汽中心首席科學家王芳作主旨發言
以下為速記內容：
尊敬的成院士，各位領導、各位嘉賓，大家下午好!
實際上這個題目是張雨老師給我的命題作文，我也很忐忑，我說講固態實際上我還沒有積累太多，但是前一段時間相關的一些領導和專家也在要求我梳理固態電池的測試評價和標準化的工作。我結合前面幾年測試的所有固液混合的電池經驗，今天來淺談一下我在梳理過程中對固態電池的發展、它所面臨的一些挑戰和我們需要做的一些工作，簡單地跟大家交流一下我粗淺的一些觀點。
總共分為三個部分，首先來談一談多路線協同發展的固態電池。
我用這一頁作為開始，實際上伴隨著新能源汽車這十多年的快速發展，我們能夠看到動力電池技術的快速提升。我在2014年，在國際全球法規的制定過程中，中國在國際上率先提出來要求重視動力電池的熱失控以及擴散防護技術的提升。這過程當中我們國內電池在不斷地進步，尤其是在前幾年中，結構的創新我們能夠明顯看到。當然結構創新里面實際上包含材料的一些改性的提升。這是從2020年到2024年典型的電池系統，之前在一些會上我也跟大家分享過，每一個電池系統它里面的一些關鍵技術，當時給大家分享過，做了一個詳細的表格和魚骨圖。各家企業從材料的改性，到電芯的設計，以及集成，還有技術的管理，全方位地去提升電池的技術水平。感覺2024年動力電池的熱點詞是材料的革新，也就是說大家現在把焦點放在了體系的創新，也就是電池的固態化技術。實際上電池的固態技術里，我們可能看到的實際上除了引進了新材料以外，隨著新材料的引進，新體系、新結構、新工藝都會在里面體現。
大家關注固態電池，一是希望利用固態電解質代替傳統的液態體系，這樣能夠通過減少或者取消易燃的組分，實現更高的安全性。二是希望通過匹配高能的電極，能夠在良好的控制策略下實現電池綜合性能的提升。這些是大家的愿景，希望在安全和性能上能夠得到更好的提升，就像今天上午院士們和老師們跟大家分享的，希望能夠六維度都能有更多性能上的提升。但實際上我們在這過程中可以看到，它仍面臨著非常多的挑戰，不妨從技術、測試角度看一看需要在未來這個產業想要技術快速提升和產業化方面面臨的挑戰是什么。現在固態電池的路線，實際上有很多種。上午大家也看到了，包括硫化物、氧化物以及復合基這樣一些固態電介質。每一個固態電解質跟傳統的液態電解質可能有相同的特點，它的熱穩定性，也就是說以熱特征的這種安全邊界是明顯地拉大了，但是又會面臨著一些液態電解質所不具有的一些挑戰。所以我們可能在未來的過程中需要去攻克這樣一些問題。
第二個想跟大家聊一聊，無論是固態電池還是其他的動力電池，我們需要它滿足什么樣的性能，必須要考慮它的應用場景。對于車用動力電池來說，我們要考慮車，對于汽車來說實際上無論是消費者還是我們從業人員，關心的點其實都是這幾個方面，性能、安全和壽命。大家希望有更高的續航里程，有快速的補能，也能夠滿足較高的安全需求。所以對于車來說，它的綜合性能反饋到電池上就是我們對于電力電池的要求。動力電池的要求包含能量密度、安全性和熱力壽命等。我們之前可能也會跟大家提，我們提出電力電池指標時，不談壽命，只提能量密度的指標說明，肯定是不合理的，無稽之談。
所以我們可以看到，對于車用動力電池來說，必須要考慮車的場景。對于動力電池的評價來說，首先，一定是面向實車場景的綜合評估，包括實際路面的振動，機械沖擊以及最近非常關注熱點的底部沖擊、底部磕碰。同時，另一個會場安全的討論，我們同事也跟大家分享，動力電池標準目前正在修訂，修訂里關注的焦點包括熱擴散，包括底部磕碰，包括快速補能的安全。這里面我們團隊也關注并分析了大概1000多例底部磕碰的案例，去看到底它會面臨什么樣的挑戰，動力電池應該滿足什么樣的要求。
另外一個是在熱的方面，也要滿足全場景的要求。包括外部的火燒，包括電池內部的單個電芯熱失控帶來的挑戰，除了熱以外，電的安全是也要考慮的。第二個電池的這種要求，它是全生命周期內，動力電池實際上是個活的生物，它是個動態變化的能源載體，所以我們必須在全生命周期內考慮它在健康使用的可用的這種評估，以及如果發生失控的可能性，必須評估當它能夠控制在安全可控的范圍內應用的狀態。另外，一旦失控以后如何把安全的風險降到最低，而且對周圍的危害降到最低。
第三個特點，對于動力電池來說，車用動力電池是全層級的，從材料到整車全層級的性能要求，也就是說無論是材料層級還是產品層級，還是系統層級，還是整車層級，各自都分擔著各自的安全和性能的要求。這是我們必須要考慮的。從這些角度來說，我們必須得考慮固態電池在車上應用同樣也必須滿足這樣一些要求。
從測試來看固態電池面臨著哪些挑戰。
首先，固態電池和液態電池的這些差異，也做了一個表格，看看固態電池里引用固態的電解質，所以它的離子傳輸機制發生了一些變化，在固態電解質的環境下，它的傳輸路徑會變得蜿蜒，它的傳導會變慢，同時特性會發生變化。昨天在北京開了一個鋰金屬電池的應用研討會，大家在這里面討論得最多的可能就是有效地接觸界面的問題，這在固態電解質的應用下界面的接觸特性和副反應也是發生一些變化。
另外一個當我們從實驗室走向產品，走向生產線，走向最終的成品時候，不能忽略的是電池對于環境的敏感性。固態電池對于力和溫度的敏感性帶來了對于未來在電芯制造和系統的集成方面關鍵要考慮的點。
我們再來看看固態電池作為動力電池所要滿足性能的綜合評價是什么呢，里面關注的比如說固態電解質，它的電子電導率的特征，使得在做成電池以后必須要關心弱電流的特性以及它的變化。它的敏感性導致在電池電芯的層面必須關心在不同的溫度下，不同的壓力狀態下，它的性能表現。另外還要關心在這種力的安全邊界，安全的范圍變大的情況下，它對于力的敏感性，帶來在車上使用的機械振動等破壞下，它面臨的安全力學安全的可靠性，又會發生什么樣的變化。
對于固態電池的生產設計和制造來說，它一定是一個多平臺去共同支撐、推進的工作。比如說需要在原材料的層面綜合地評估材料的整體參數和它制成電池以后材料的內部特性和電池的外部特性關系。同時考慮做成電池的過程中，它的界面特性以及比如說硫化物的固態電解質，它在制造過程中需要的等級壓的要求，以及到了系統層面電池層面綜合的熱力學的管理，以及借助AI以及機器學習的算法等，綜合提升我們對于固態電池的研發設計和制造的能力。
具體地來看一看材料層面。實際上，材料層面因為固態電池有新的材料引路，剛才提到新材料、新體系、新結構、新工藝，實際上面臨著很多未知和需要解答的一些東西，對于材料來說，我們必須要關注材料，比如說硫化物等這樣的固態電解質，本身這種特性以及與正極材料、負極材料進行匹配的過程中，電池的外特性表現出來的最終綜合的性能和它的內部材料選擇以及匹配工藝適配性的關系，這是我們在未來固態電池設計和制造過程中必須要建立的一個龐大數據和綜合的設計能力。
界面層級，在固態電解質電池里，正極側界面會存在著接觸不良，界面反應力學失效，負極也會出現體積變化，界面層不穩定等問題。昨天我們討論比較多，包括比如說初始的電池剛剛制造出來，初始有效接觸面積，怎么能夠不斷地提高這種有效接觸面積，去提升它的致密性。另外就是在實際使用過程中，我們怎么能保持這種有效的接觸面積，這是在固態電解質里面可能要求必須要下大功夫去解決的問題。
到了電池設計層級，比如說硫化物體系，典型的幾個體系，一個是硫化物體系。實際上，在電芯成型的過程中，就需要一個較高(幾百兆帕)的環境去制造，同時使用過程中需要有一個外部壓力的施加。將來真的能夠產業化裝到車上，必須要解決的問題包含了從電解質模本身的特性，比如說必須要關心它的模量，不斷提高它的耐壓和耐變形，耐機械沖擊的能力，同時要關心材料的熱膨脹特性，去保障在未來外部環境溫度變化的情況下它能夠不受影響或盡量少受影響。到了單體的層級，我們是在想要把它用在車上，我們希望是什么?盡可能地少施加外部壓力，就需要提升電池的本身和模組的結構方面，通過內部設計去降低它對外部壓力/壓緊力的依賴，才有可能更好地用到電動汽車上。否則這種使用環境對大家來說也是一個非常大的挑戰。
所以在現有的鋰離子電池基礎上，可能在管理層面除了BMS的電管理和熱管理以外，要增加的是固態電池方面需要有個力學的管理系統。
在聚合物集的一些固態電解質里面，它怎么能夠有這么大的外部壓力要求，但它也需要外部的壓力控制去提升界面的接觸面積的力化過程，降低它的力化過程，提升它的狀態。這過程需要關注整個溫度控制的能力，而且要關心的是溫度、倍率和力學這三者之間在使用充放電過程中耦合關系。所以如果想這個將來做更好的應用，對于溫度的環境管控是非常重要的。
另外一個就是安全，實際上安全還是關注的焦點。大家以前可能說為了解決安全問題，所以我們要用固態電池。但實際上到了今天以后，大家現在應該已經很深度地理解到固態電池并不等于零風險電池。固態電池除了比如說熱失控的溫度梯點往后移，安全的熱邊界會擴大，但不代表它沒有邊界，這是我們之前做的一些，當然，澄清一下，這做的都是固液混合，不是全固態。做的過程中可以看到隨著固態電解質的增加，在各方面優勢能夠明顯地看到，但它還是會有一些薄弱點。再看一看，我們對固態電池除了安全期待以外，還有能量密度的提升，在這樣的體系下我們可以想象的是，隨著高能量釋放效率的金屬鋁、高鎳體系的加入，有可能發生什么樣的狀態呢?在做電池實驗時，絕熱的測試，可以看到電池的熱失控溫度，自產熱的溫度T1和熱失控的溫度T2的距離會怎么樣?可能會縮短。也就意味著縮短的結果就是第二個視頻，第二個視頻也是固態電池做針刺時，沖過邊界或當固態電池使用一段時間以后，到了中期或者末期以后，當發生失控的時候它從T1直接跳到T2，溫度迅速升高發生爆燃，未來設計過程中可能也要考慮怎么樣去避免或者盡量地降低這種可能性。
對于全固態電池來說，無論是安全性和性能要求，實際上也是全層級的，從材料到部件到整個系統，需要不斷地去尋找最合適的材料和電池的設計工藝，然后不斷地去提升電芯的制造和集成的能力，能夠達到最終的產業化目標。
另外一個我們也必須要關心的，剛才說的作為電化學的系統，它還是會存在著失效或者失控的可能性。我們必須要考慮到。因為新材料的加入，這種失效會產生一些新的機制。這種情況下我們必須關心，我剛才提到的因為高的能量釋放效率，這些材料的加入帶來能量的驟然釋放，包括爆燃，同時我們也要關心硫化物等等這樣一些新材料的應用帶來的有可能發生的一些新的形態。
上午老師分享了對硫化鋅的分析，認為它的安全遠遠低于安全釋放的數值。但大家肯定還是要關心，到底釋放的量會怎么樣，對于人員的安全防護，我們能不能夠做到，這是在未來的設計中，肯定前期要考慮到的問題。包括后期氣體的收集，氣體的成分，以及發生爆燃或者說失控的情況，爆炸極限和燃燒速度是什么樣的，這樣才能夠更好地在前期產品設計中做好一些規劃。
總之，根據我前期的一些測試分析，給大家做一個粗淺的分享，這是我們在過去的十多年當中建立起了從材料到系統，甚至到整車的一個完備的動力系統測試評價的體系，我在前一階段梳理時，我們團隊也做了這樣一些分析，當面臨固態電池的這樣一個階段時候，我們在原有的動力電池基礎上可能還要增加一些關注點，比如說包括離子和電子帶來的電池熱電流以及能力保持的變化，包括熱學和力學耦合的情況下，它對力學對熱的敏感性帶來的對于電池性能的挑戰和適配性的挑戰，以及包括在有可能新增加力學管理系統的情況下，對于整個電池Pack的考核和考量，所以未來固態動力電池測試評價的體系，還會不斷地完備。未來，也希望跟固態電池相關的從業人員和專家，能有更多的機會去交流，我們通過共同努力去支撐這個產業快速地發展。
這是我的分享，謝謝大家!
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